生物化学第四章维生素与辅因子.ppt

第四章 维生素与辅因子,第一节 维生素的概念及分类 第二节 水溶性维生素与辅因子,维生素的发现： 人类对维生素的认识可以追溯到公元前3500年，当时古埃及人发现夜盲症可以被一些食物治愈； 中国唐代医学家孙思邈也曾用动物肝防治夜盲症，用谷皮汤熬粥防治脚气病。 1747年英国海军军医林德发现在食物中添加柑橘类水果可以防治坏血病。,1911年，波兰化学家C.Funk发现糙米中存在能够防治脚气病的物质（维生素B1）是一种胺（一类含氮化合物）。将这种化合物叫做Vitamine，意为“Vital amine”，中文意思就是“生命的胺” 。随后发现，许多其它的维生素并不含有“胺”结构，但是由于Funk的叫法已经广泛采用，所以这种叫法一直沿用，而仅仅将amine的最后一个“e”去掉，成为了“vitamin”（维生素，音译为“维他命”）。,1912年，S.F.Hopkins和Funk推出维生素缺乏假说，推测人体系统中如果缺乏特定的足够量的维生素，将会引起特定的疾病。在20世纪初，通过提供缺乏特定成分的食物给实验动物食用的方法，科学家们成功的将如今大家熟知的维生素分离并且鉴别了出来。,第一节 维生素的概念及分类 一、维生素的概念 （一）维生素的概念： 参与生物生长发育和代谢所必须的一类微量小分子有机物质，生物体自身不能合成，必需靠食物供给；,（二）维生素的特点： 1、生物体对维生素的需要量非常小； 例如正常人每天所需： 维生素A 0.81.6mg，维生素B1 12mg， 维生素B2 12mg， 泛酸35mg， 维生素B6 23mg， 维生素B12 26mg， 生物素0.2mg， 叶酸0.4mg， 维生素D 1020mg， 维生素C 60100mg。,2、不是构成机体的物质，也不是能量物质，在代谢中起调节作用； 维生素的生理功能调节酶活性及代谢活性； 大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。维生素的重要性就在于它们是体内一些重要的代谢酶的辅酶或辅基的组成成分。,3、维持生长发育所必须的，各种生物对维生素的需要情况不同； 4、绝大多数不能在体内合成，因此维生素必须由食物供给。 5、缺乏时会引起机体代谢紊乱，导致特定的缺乏症或综合症 ，补充后可恢复正常。 6、有些维生素还可作为自由基的清除剂、风味物质的前体、还原剂以及参与褐变反应，从而影响食品的某些属性。,维生素原：有些有机化合物，在人体中可通过一定的化学途径而转化为某种维生素，称这类物质为维生素原。如胡萝卜素可转化为维生素A. 同效维生素：化学结构类似，具有同维生素一样的效能。如生物类黄酮、牛磺酸、肉碱等。,维生素的命名 1、习惯上采用拉丁字母A、B、C、D、来命名，中文命名则相应的采用甲、乙、丙、丁，这些字母并不表示发现该种维生素的历史次序（维生素A除外），也不说明相邻维生素之间存在什么关系。有的维生素在发现时以为是一种，后来证明是多种维生素混合存在，便又在拉丁字母下方注 1、2、3等数字加以区别，如 B1、B2、B3、B6等。,2、根据维生素特有的生理和治疗作用来命名 如维生素B1称为抗脚气病维生素，维生素C称为抗坏血病维生素等。 3、根据其化学结构来命名 如维生素B1称为硫胺素，维生素B2称为核黄素等；,二、维生素的分类 维生素都是小分子有机化合物，其化学结构各异，有脂肪族、芳香族、脂环族、杂环和甾类化合物等。由于维生素之间在化学性质上没有相互关联，各种维生素化学结构及性质相差甚远，在生物功能方面也各有不同，不便于进行分类。 通常根据溶解度将维生素分为脂溶性和水溶性两大类。,脂溶性维生素包括维生素A、D、E、K等，它们不溶于水，而溶于脂肪及脂溶剂（如苯、乙醚及氯仿等）中，故称为脂溶性维生素。在食物中，这类维生素通常和脂质共存，其在肠道中的吸收也与脂质密切相关。当脂质吸收不良时，脂溶性维生素的吸收也会大大减少，甚至会引起缺乏症。,1、维生素A（A1、A2） 是由-胡萝卜素转化的不饱和一元醇，主要存存于哺乳动物及鱼的肝脏中，绿色植物中存在维生素A原，即胡萝卜素 ，包括、-胡萝卜素和玉米黄素 。维生素A的首要作用是构成视觉细胞内感光物质，缺乏时易造成干眼病。,2、维生素D（D2、D3、D4、D5） 是固醇类化合物，在动植物中均存在，动物的肝、肾、脑、皮肤以及蛋黄、牛奶中含量较高。其主要功能是促进肠壁对钙和磷的吸收，调节钙磷代谢，有助于骨酪钙化和牙齿形成，缺乏维生素D时易产生佝偻病。,3、维生素E（、）又称生育酚 是苯骈二氢吡喃的衍生物，在各种植物油，如麦胚油、棉籽油、玉米油、大豆油中含量丰富。维生素E具有抗氧化作用，在某些动物实验中具有促进生殖发育作用。,4、维生素K（K1、K2） 是2-甲基萘醌的衍生物，广泛分布于绿色植物 (如苜蓿、菠菜等)及动物肝脏中，有促进血液凝固的作用，故维生素K又称为凝血维生素。,第二节 水溶性维生素与辅因子 水溶性维生素 溶于水而不溶于有机溶剂的维生素称为水溶性维生素。水溶性维生素包括维生素B族、维生素C，属于维生素B族的主要有维生素B1、B2、PP、B6、泛酸、生物素、叶酸和B12等。这类辅酶在肝脏内含量最丰富。与脂溶性维生素不同，进入人体的多余的水溶性维生素及其代谢产物均自尿中排出，体内不能多贮存。,水溶性维生素特别是维生素B族在生物体内主要功能是通过作为辅酶的成分调节机体代谢。辅酶与酶蛋白结合共同完成催化作用，辅酶与辅基的主要生理功用： 运载氢原子或电子，参与氧化还原反应。 运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移。,一、维生素B1与TPP 1、名称： 维生素B1，又称抗脚气病因子,抗神经炎因子,硫胺素等。 2、性质： 酸性溶液中较稳定、耐热，在中性及碱性溶液中易破坏，在碱性溶液中不耐高热。维生素B1极易溶于水，因此米不宜多次淘洗以免造成损失。,3、主要来源：存在于种子外皮及胚芽中，米糠、麦麸、酵母、瘦肉中含量丰富，蔬菜中白菜和芹菜维生素B1含量较多。 4、缺乏症： 当维生素B1缺乏时，糖代谢受阻，丙酮酸积累，使病人的血、尿和脑组织中丙酮酸含量增多，出现多发性神经炎、肢端麻木、心力衰竭、四肢无力、肌肉萎缩及下肢浮肿等症状，临床上称为脚气病。,5、化学结构： 是由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，故称硫胺素（图4-1）。,（嘧啶衍生物）,（噻唑衍生物）,图4-1 维生素B1（硫胺素）,焦磷酸硫胺素(TPP) ： 硫胺素在生物体内由硫胺素激酶催化与ATP作用转化成焦磷酸硫胺素(TPP)（图4-2）。,图4-2 辅酶TPP的结构,6、焦磷酸硫胺素(TPP)的功能： TPP参与糖代谢中羧基碳（醛和酮）的合成与裂解反应，是脱羧酶、丙酮酸脱氢酶复合体和-酮戊二酸脱氢酶复合体的辅酶。,例如： 在乙醇发酵过程中，TPP作为脱羧酶的辅酶，丙酮酸通过酵母丙酮酸脱羧酶产生CO2和乙醛； 在糖分解代谢过程中TPP作为丙酮酸脱氢酶复合体和-酮戊二酸脱氢酶复合体中脱氢酶的辅酶分别参加丙酮酸及-酮戊二酸的氧化脱羧作用（详见糖代谢）。,酵母丙酮酸脱羧酶的反应机制,酸性质子,二、维生素B2与FMN和FAD 1、名称： 维生素B2又称核黄素 2、性质： 为桔黄色针状晶体，味苦，微溶于水，极易溶于碱性溶液，对光和碱都不稳定，对酸稳定。,3、主要来源： 维生素B2在动植物中广泛存在。酵母、肝脏、蛋黄、奶、大豆、小麦、青菜中含量丰富。绿色植物和很多微生物都能合成核黄素，但人体内不能合成，必须由食物供给。 4、缺乏症： 膳食中长期缺乏维生素B2时，组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、唇炎、阴囊炎、角膜炎等。,5、化学结构： 维生素B2是一种含核糖醇基的黄色物质，是核糖醇与7,8-二甲基异咯嗪的缩合物，即7,8-二甲基-10（1-D-核糖醇）异咯嗪（图4-4）。,异咯嗪,咯嗪,维生素B2,在生物体内维生素B2以黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的形式存在（图4-5）。 1）与磷酸结合成磷酸核黄素,即黄素单核甘酸FMN; 2）FMN与一分子AMP缩合,形成黄素腺嘌呤二核苷酸FAD; 二者是一些氧化还原酶的辅基，与蛋白部分结合牢固，这种结合体称黄素蛋白。,黄素单核苷酸（FMN）,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,生化功能： 在生物氧化过程中，FMN和FAD通过分子中异咯嗪环上的1位和5位氮原子的加氢和脱氢，把氢从底物传递给受体。FAD是琥珀酸脱氢酶、磷酸甘油脱氢酶等的辅基，FMN是羟基乙酸氧化酶等的辅基。 维生素B2分子中异咯嗪环的第1和5位氮原子上各有一个活泼的双键，可发生氧化和还原反应，在生物氧化过程中起递氢作用。,1,10,6,7,5,9,4,8,2,3,FMN的作用机制,三、维生素B3与CoA和ACP 1、名称：维生素B3即泛酸，因在生物界广泛存在，因此又称为遍多酸 。 2、性质： 维生素B3为淡黄色粘性油状物，溶于水和醋酸，不溶于氯仿和苯。在中性溶液中对湿热、氧化和还原都稳定。酸、碱、干热可使之分裂为-丙氨酸及其它产物。商品维生素B3为泛酸钙，无色粉状晶体，微苦溶于水，对光及空气都稳定，但在pH57溶液中可被破坏。,维生素B3在食物中含量丰富，同时肠道中细菌也能合成间接被人体利用，因此人类很少发生维生素B3缺乏症。 3、化学结构： 是由,-二羟基-，-二甲基丁酸和-丙氨酸脱水缩合而成的一种有机酸。,二羟基二甲基丁酸残基 - 丙氨酸残基,维生素B3是辅酶A（CoA或CoA-SH）的组成成分，在机体内维生素B3与ATP和巯基乙胺经一系列反应合成辅酶A。其结构式如图4-7。,辅酶A的结构,磷酸泛酰巯基乙胺,辅酶A是酰基的载体，是酰化酶的辅酶，由于携带酰基的部位在SH上，故通常以CoASH表示。它的-SH可与酰基形成硫酯，其重要的生理功能是在代谢过程中作为酰基的载体。 例如当携带乙酰基时形成CH3CO-SCoA，称为乙酰辅酶A。辅酶A对糖、脂和蛋白质代谢中的乙酰基转移起着重要作用。维生素B3也是构成脂酰载体蛋白（ACP）的辅基的组成成分，与脂肪酸合成密切相关。,四、维生素B5与NAD和NADP 维生素B5,又称维生素PP 抗赖皮病维生素;是吡啶的衍生物,有两种: (1)烟酸(尼克酸) (2)烟酰胺(尼克酰胺) 功能: 可防止赖皮病，缺乏导致对称性皮炎; 维持神经系统的正常功能; 构成脱氢酶的辅酶NAD(烟酰胺腺嘌呤二核甘酸) NADP(烟酰胺腺嘌呤二核甘酸磷酸),烟酰胺,烟酸,烟酰胺在生物体内以烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸（NAD+，又称辅酶）和烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+，又称辅酶）的形式存在。NAD+和NADP+均为脱氢酶的辅酶，是烟酰胺的活性形式。其结构如图4-9。 辅酶I和辅酶II是脱氢酶的辅酶，在氧化还原反应中作为氢的受体或供体，起传递氢的作用。,图4-9 NAD+和NADP+的结构,NAD+和NADP+的分子结构中都含有尼克酰胺的吡啶环，可通过它可逆地进行氧化还 原，在代谢反应中起递氢作用。 从底物脱去的两个氢原子，其中一个H+和两个电子转给NAD+的烟酰胺环上，使氮原子由五价变为三价，同时环上N原子的对位第4位碳原子上添加了一个氢原子，变成还原NADH；底物的另一个H+则释放到溶液中。,烟酰胺辅酶的结构和氧化还原状态,依赖于NAD+和NADP+的脱氢酶，可以催化多种不同类型的反应，如简单的脱氢、氨基酸脱氨、醛的氧化、双键的还原、碳-氮键的氧化等。,五、维生素B6和磷酸吡哆醛及磷酸吡哆胺 维生素B6又称吡哆素，包括吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺三种物质，它们在生物体内可相互转化。,吡哆胺,吡哆醛,吡哆醇,维生素B6三种结构,在体内维生素B6经磷酸化作用转变为相应的磷酸酯磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺和磷酸吡哆醇，它们之间可以相互转变。参加代谢作用的主要是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺，二者是维生素B6的活性形式，在氨基酸代谢中是多种酶（如氨基酸转氨酶和氨基酸脱羧酶）的辅酶。磷酸吡哆醛还是氨基酸转氨、脱羧和消旋作用酶的辅酶。,磷酸吡哆醛与磷酸吡哆胺的分子结构,功能： Vit B6的衍生物:磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为氨基转移酶,氨基酸脱羧酶,半胱氨酸脱硫酶等的辅酶。,吡哆素为无色晶体，易溶于水及酒精，具有光不稳定性，在酸性溶液中稳定，碱液中易被破坏，在空气中能保持稳定。吡哆醇耐热，吡哆醛和吡哆胺不耐高温。 维生素B6在食物中分布很广，尤其是酵母、蛋黄、肝、谷物中含量尤为丰富，肠道细菌可以合成维生素B6，一般人在正常情况下很少发生维生素B6缺乏症。,六、维生素B7与羧化辅酶 维生素B7也称生物素，维生素H，为含硫维生素，是由噻吩环和尿素结合而成的一个双环化合物，侧链上有一分子异戊酸。有，两种异构体。 生物素为无色针状结晶，耐酸而不耐碱，氧化剂及高温可使其失活。,生物素的结构,生物素是多种羧化酶如丙酮酸羧化酶、乙酰CoA羧化酶等的辅酶，参与体内CO2羧化过程，起传递羧基功能。生物素与其专一的酶蛋白通过生物素的羧基与酶蛋白中的赖氨酸的-氨基以酰胺键相连。在代谢过程中，首先CO2与生物素的尿素环上的1个氮原子结合，然后再将生物素上结合的CO2转给适当的受体，因此生物素在代谢过程中起CO2载体的作用。,生物素与酶蛋白中赖氨酸的连接,生物素参与催化的转羧基反应机理,生物素来源广泛，在酵母、肝、蛋黄、谷物和蔬菜中存在，肠道细菌也可以自行合成供人体需要，故一般很少出现生物素缺乏症。但是如果大量食用生鸡蛋清，因其含有抗生物素蛋白，能与生物素结合使生物素活性丧失，就会造成生物素缺乏。人类尚未发现典型的生物素缺乏症。,七、维生素B11与四氢叶酸 维生素B11又称叶酸，由2-氨基-4-羟基-6-甲基蝶呤啶与对氨基苯甲酸及L-谷氨酸三个部分结合而成。 是一个在自然界广泛存在的维生素，因为在绿叶中含量丰富，故名叶酸，亦称蝶酰谷氨酸。 叶酸纯品为淡黄色结晶，微溶于水，不溶于有机溶剂，易分解。,叶酸分子结构,四氢叶酸的分子结构,叶酸在体内以四氢叶酸（THF，或写作FH4）的形式存在，四氢叶酸又称辅酶F（CoF），是一碳基团（如甲基、亚甲基和甲酰基等）转移酶的辅酶，以一碳基团的载体参与一些生物活性物质的合成。 其N5和N10原子与一碳单位基团结合，与嘌呤和嘧啶合成有关。如-CH3, -CH2-, -CHO 等,叶酸还原成四氢叶酸,四氢叶酸携带的一碳单位中碳的氧化态,四氢叶酸携带各种一碳单位的形式,叶酸参与嘌呤和嘧啶的合成，影响到蛋白质的生物合成，因此，叶酸对于正常红细胞的形成有促进作用。当叶酸缺乏时，血红细胞的发育和成熟受到影响，造成巨红细胞性贫血症。因此，叶酸在临床上可用于治疗巨红细胞贫血症，故叶酸又称抗贫血维生素。 叶酸在自然界中广泛存在，因在植物叶中含量丰富而得名叶酸。在酵母、动物的肝脏、肾脏中含量也高。肠道细菌也能合成叶酸，故一般人类不易发生叶酸缺乏病。,八、维生素B12及其辅酶 维生素B12是体内唯一含有金属元素的维生素，因分子中含钴和多个酰胺基，故又称钴胺素。 维生素B12为深红色晶体，熔点很高（320以上），溶于水、乙醇和丙酮，不溶于氯仿。维生素B12晶体及其水溶液都相当稳定。但酸、碱、日光、氧化和还原都可以使其破坏。 维生素B12广泛存在于动物食品中，在肝、心、肉、蛋、奶和鱼类中含量丰富，植物中不含维生素B12。,维生素B12的结构比较复杂，分子中除含有钴原子外，还有5，6 -二甲基苯咪唑、3-磷酸核糖、氨基异丙醇和类似卟啉环的咕啉环成分。5，6 -二甲基苯咪唑的氮原子与3-磷酸核糖形成糖苷键，然后和氨基异丙醇通过磷酯键相连，氨基异丙醇的氨基再与咕啉环的丙酸支链连接。,钴原子位于咕啉环的中央，并与环上氮原子和5，6 二甲基苯咪唑的氮原子以配位键结合。在钴原子上结合不同的基团，如-CN、 -OH、CH3或5-脱氧腺苷，就分别得到: R= CN 维生素B12（氰钴胺素） R= OH 羟钴胺素、 R= CH3 甲基钴胺素 R= 5-脱氧腺苷钴胺素 其中5-脱氧腺苷钴胺素是主要的辅酶形式。,维生素B12分子结构,维生素B12在体内以辅酶形式参加的代谢反应如分子内重排、核苷酸还原成脱氧核苷酸和甲基转移。前两种反应是由5-脱氧腺苷钴胺素调解的，而甲基转移是通过甲基钴胺素来实现的。 缺乏维生素B12，会引起恶性贫血、神经炎、神经萎缩、烟毒性弱视等病症。用维生素B12治疗时应注射，口服无效。,九、维生素C 维生素C又称抗坏血酸（ascorbic acid）。维生素C是一种含有6个碳原子的多羟基内酯化合物，其分子中C2和C3位上两个相邻的烯醇式羟基易解离释放出H+，而被氧化成为脱氢抗坏血酸，氧化型抗坏血酸和还原型抗坏血酸可以相互转变，是生物体内的氧化还原体系之一（图4-17）。,L-型抗坏血酸（还原型）,L-型抗坏血酸（氧化型）,由于维生素C的C4及C5是两个不对称碳原子，因此有光学异构体，其中包括D型和L型。D型维生素C一般不具有抗坏血酸的生理功能，自然界存在的具有生理活性的是L-型抗坏血酸。通常所称的维生素C，即指L-抗坏血酸。由于抗坏血酸具有强的还原性，常被用作抗氧化剂，食品加工中使用的主要是D-抗坏血酸。,维生素C的生理功能主要有两个： 一是参与体内的氧化还原反应。作为还原剂保持许多巯基酶的-SH